一种可调式减压装置的减压性能和水力特性研究

摘要

在我国现有的建筑物中，供水管网中存在富余压力是一种普遍存在的现象。管道中长期存在富余的压力不仅会缩短管道的使用寿命、增大爆管等安全隐患出现的几率，也会在建筑物内用户开启用水装置时，因管道内的压力值过高而产生飞溅的现象。这是一种“隐形”的水资源浪费，也是一种极其严重、不容忽视、亟待解决的问题。
　　通常这种现象的解决办法是在管道内加装减压孔板或者减压阀，能够极大地缓解管道内富余压力过多的问题。减压孔板成本低廉、结构简单，但存在着无法调节和减压效率较差的问题;减压阀虽然能够实现调节功能，但存在着维护和更换成本较高的问题。因此，本文提出一种新型可调节栅栏结构的减压装置，能够通过改变栅栏结构的开度，来实现不同减压效率下的自由调节，并能够保证出口位置达到较低的压力值。
　　本文将通过三种方式来对此减压装置的减压效率及减压规律进行研究。先是进行模型试验，对减压装置的减压效率进行实际的测量。再利用FLUENT软件进行数值模拟计算分析，对更多工况下的减压装置运行情况进行分析。最后从理论分析出发，建立压强～流量关系模型，依靠流体力学和高等数学微积分等相关知识，使用分解、类比、微分、求和等方法，得到相关的数学表达式。这个数学表达式可以在一定管道入口流速范围内适用，能够表达管道进口面压强、出口面压强和流体流速三个变量间的函数变化关系。
　　通过上述研究方法得到以下结论:
　　(1)减压装置几何形状复杂，水流通过减压装置之后，压强值得到明显的降低，减压效率能够满足使用需求。
　　(2)经过换算所得到的数值模拟计算减压效率要比模型试验中的减压效率低0.8％，相差较小;对于开度和流量变化对减压效率的影响，模型试验和数值模拟计算得到相同的变化规律。
　　(3)当减压装置开度从0°变化到30°时，减压装置的减压效率会随着开度的增加而增大;当减压装置开度固定在0°或者30°时，减压装置的减压效率随管道内水流流量的增大而减小。
　　(4)本文在第四章基于一定的流量范围，建立了压强～流量关系式，公式表明减压装置前后的压强差是一个关于管道内水流流量Q的二次多项式函数。
　　(5)通过数值模拟计算，借助管道横截面x=0m上的压强分布图可以得到，以减压装置为边界，将管道内流体微团在减压装置内的流动过程分为三个部分。建立相关数学表达式，来描述管道内进口面压强、出口面压强与管道内流量这三个物理量之间的函数变化关系。
　　(6)通对对压强～流量关系式进行非线性拟合，并用五组不同流速下的压强数据来求解压强～流量关系式中的参数，得到ΔP=-7486v2+10512v+510.3，即压强差和断面平均流速之间的关系。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 研究目的及方法

1．3 研究现状

1．3．1 减压装置的研究现状

1．3．2 数值模拟计算的研究现状

1．4 主要研究内容及技术路线

1．4．1 主要研究内容

1．4．2 研究技术路线

第二章 模型试验数据结果及分析

2．1 模型试验布置

2．2 减压装置介绍

2．3 试验设备和数据测量

2．4 模型试验方案确定

2．5 试验方案

2．6 试验数据及减压效率分析

2．7 小结

第三章 数值模拟及分析

3．1 数值模拟使用软件介绍

3．1．1 GAMBIT软件简介

3．1．2 FLUENT软件简介

3．2 模型的建立与网格划分

3．2．1 GAMBIT中的3D模型

3．2．2 网格划分以及边界条件

3．3 FLUENT软件中的数值模拟

3．3．1 求解器以及物性参数设置

3．3．2 基本方程

3．4 数值模拟结果与模型试验比较

3．4．1 模拟结果与对照

3．4．2 模型和测压点位置选择

3．5 不同开度下的减压装置分析

3．5．1 不同开度下的减压效率

3．5．2 开度0°和30°下的压强分布分析

3．6 不同流速下的减压装置分析

3．6．1 不同流速下的减压效率

3．6．2 两种流速下的压强分布分析

3．7 小结

第四章 压强～流量模型的计算

4．1 流动阶段划分

4．2 关于模型的假设与说明

4．3 第一阶段压降分析

4．4 第二阶段压降分析

4．5 第三阶段压降分析

4．6 减压装置压降的总体分析

4．7 数据拟合与验证

4．8 小结

第五章 总结与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

1．攻读硕士期间参加的基金项目

2．攻读硕士期间发表的论文